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1、SJTU,1,第三章光纤通信基本知识,一 光纤通信 二 光纤光缆 三 光器件 四 光纤传输系统 五 SDH,SJTU,2,一 光纤通信,光纤通信是以光波为载波，以光纤（光导纤维）为传输媒体，将信号从某一点传送到另一点的通信方式。具有传输距离远（传输损耗小）、通信容量大（传输频带宽）、抗干扰性能好（不受电磁干扰）、保密性好（不产生光泄漏）、重量轻、体积小等优点。,SJTU,3,二 光纤光缆,光纤是用石英玻璃、塑料或晶体等对某个波长范围透明的材料制造的能传输光的纤维。由纤芯和包层组成，纤芯的折射率比包层的高。 光纤的特征和性能： 1.几何和结构参数：芯径、外径、数值孔径、折射率分布等。 2.光传输
2、特性：工作波长、传输损耗和带宽、色散、偏振特性等。 3.环境特性：高低温特性、抗微弯和弯曲特性、抗辐射特性、抗疲劳特性、机械筛选强度等。,SJTU,4,光纤的分类,按工作波长： 短波长（850nm) 长波长（1310nm、1550nm） 按传输模式： 多模光纤和单模光纤 按折射率分布： 阶跃（突变）型(SI)和梯度（渐变）型(GI) 按材料： 石英光纤、塑料光纤等 几种新型光纤：色散位移光纤（DSF）、非零色散光纤（NZDF）、色散平坦光纤（DFF）、色散补偿光纤（DCF）等,SJTU,5,光缆,含有光纤，符合现场实际使用要求的光、机械和环境规范的缆。由光纤、加强件和外护层等组成。 光缆的分类
3、： 按芯数分为单芯、双芯、多芯 按结构分为层绞式、骨架式、带状等 按敷设场合分为架空、直埋、管道、移动、室内、水下、海底等 按用途分为通信用光缆和非通信用光缆,SJTU,6,三 光器件（无源）,光分路器/耦合器：1xN（树型）、NxN（星型） 波分复用器：合波器和分波器、滤波器 光纤连接器：固定、活动（FC、ST、SC等）、适配器（直通） 光开关 光衰减器：固定、可变 光隔离器：单方向传输光的器件 极化器,SJTU,7,有源光器件,光源：发光二极管（LED） 激光二极管（LD） 光电检测器： PIN光电管、PIN-FET组件 雪崩光电二极管（APD） 光纤放大器（EDFA） 调制器,SJTU,
4、8,四 光纤传输系统,第一代：0.85um多模光纤系统 第二代：1.3um多模光纤系统 第三代：1.3um单模光纤系统 第四代：1.55um单模光纤系统 三个过渡： 短波长长波长 多模光纤单模光纤 AlGaAs/GaAsInGaAsP/InP 三项新技术: 波分复用(WDM) 相干通信 光电子集成(OEIC),SJTU,9,光纤传输系统框图,电 端 机,驱 动,光 源,光 检 测,判 决 再 生,光 源,光 检 测,放 大,电 端 机,发 送,光 发 送 机,光纤 光缆,光 中 继 器,光 接 收 机,接 收,光纤 光缆,模拟通信：信噪比和谐波失真 数字通信：误码率和相位抖动,SJTU,10,
5、光纤通信系统的新技术,延长中继距离的新技术 光放大器(EDFA) 外调制器(电光晶体LiNbO3) 色散补偿(DCF、Bragg光纤光栅) 提高通信容量的新技术 时分复用技术（TDM） 波分复用技术（WDM）,SJTU,11,光波分复用（WDM）,在一根光纤中同时传输几个不同波长的光信号。 复用器是将若干不同波长的光信号分开或合并的器件，有熔锥型、棱镜色散型、光栅色散型、干涉滤光型等。,光纤,复 用 器,复 用 器,SJTU,12,光频分复用（OFDM）,当波分复用的光载波间隔变窄到小于1nm时，就是光频分复用；而间隔大于1nm时，称为密集波分复用（DWDM）,SJTU,13,副载波调制（SC
6、M）,SCM是一种采用两级调制的频分复用系统。第一次电调制，由多路信号分别对多个副载频进行调制（AM/FM/PM）,然后，再将复合信号对光波进行强度调制。,SJTU,14,相干光通信系统,相干光通信系统又称为外差光纤通信系统。是一种采用单一频率的相干光做光载波，利用无线电技术中的外差接收方式，再配合ASKFSKPSK等调制方式的新型光纤通信方式。主要优点是光接收机灵敏度高，选择性好；既可扩大通信容量，又可增加再生中继距离。,SJTU,15,光孤子（Soliton）通信,在很强的光场作用下，光纤的各种特征参数随光场强弱呈非线性变化。它使所传的光脉冲变窄，正好补偿了由于色散使脉冲展宽的影响。光孤子
7、是一种特殊形状的超短脉冲（几个uus），它在光纤的传输过程中将不产生畸变，可实现高速、长距离通信。,SJTU,16,光放大器,为了进行长距离传输，可以采用光/电/光转换形式的光中继器，也可以采用直接对光信号进行放大的光放大器。 光放大器可分为半导体光放大器（SOA）和光纤放大器（FA）。 光纤放大器又可分为非线性光纤放大器（喇曼光纤放大器）和掺铒光纤放大器（EDFA）,SJTU,17,掺铒光纤放大器（EDFA）,将稀土元素铒（Er）注入到纤芯中，即是掺铒光纤。它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大，这就是掺铒光纤放大器。 EDFA的主要优点是： 1、工作波长在15301560nm范
8、围； 2、激励的泵浦功率低（几十mW）; 3、增益高（40dB）,噪声低（34dB）,输出功率大（1420dB）; 4、连接损耗低（0.1dB）;,SJTU,18,EDFA的结构,光耦 合器,光隔 离器,光隔 离器,光滤 波器,泵浦 光源,输入 光信号,输出 光信号,掺铒光纤,光耦 合器,光隔 离器,光隔 离器,光滤 波器,泵浦 光源,输入 光信号,输出 光信号,掺铒光纤,同向泵浦结构,反向泵浦结构,双向泵浦结构（略）,SJTU,19,EDFA的应用,用作光接收机的前置放大器，可提高接收机灵敏度1020dB; 用作光发射机的功率放大器，增加入纤光功率，延长传输距离； 用作光中继器，可实现全光通
9、信；,SJTU,20,五 同步数字系列（SDH）,准同步数字系列(PDH-Plesiochronous Digital Hierarchy):只有地区性(北美,日本,欧洲)的数字信号速率和帧结构标准,没有统一的国际标准;没有国际标准的光接口规范;采用异步复接,复用结构复杂,灵活性差;网络运行,管理,维护(OAM)困难. 同步数字系列（SDH-Synchronous Digital Hierarchy） SDH是由一些网络单元(NE)组成的、在光纤上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络,SJTU,21,SDH的特点,国际统一的数字传输标准STM-N 采用同步复用方式和灵活的复用映射结构,
10、具有广泛的适应性 丰富的开销比特,加强了网络的OAM能力 统一的标准光接口 采用软件进行网络配置和控制,便于扩展 具有完全的后向兼容性和前向兼容性,SJTU,22,SDH的比特率,等级 速率（Mb/s）,STM-1 155.520 STM-4 622.080 STM-16 2488.320 STM-64 9953.280,SJTU,23,SDH的帧结构,STM-1的帧结构,125us,9x270=2430个字节,第1行 2 3 4 5 6 7 8 9,RSOH,AU PTR,MSOH,9列,261列,净荷（含POH）,SJTU,24,SDH开销字节的分层,分支 分支 - - 分支组装 分支取出
11、 POH插入 POH提取 通道层 MSOH MSOH 插入 提取 复用层 RSOH RSOH RSOH 插入 提取/插入 提取 再生层 光接口 光接口 光接口 物理层 终端 再生器 终端,POH MSOH RSOH,RSOH,载波,载波,物理线路,物理线路,SJTU,25,SDH的复用结构,STM-N AUG AU4 VC4 C4,xN,x1,x3,x3 TUG3 x1 TU3 VC3,AU3 VC3 x7 C3,x7 TUG2 TU2 VC2 C2,x1,x3 TU12 VC12 C12,x4 TU11 VC11 C11,指针调整,加POH或SOH,映射 定位 复用,SJTU,26,SDH的
12、复用过程,映射: 把PDH的各种速率及ATM信元与SDH的容器进行适配的过程 定位: 用指针指示净荷的第一个字节在帧内的位置 复用: 按单字节间插方法，将N个TU变成TUG，N个AU复接成AUG，N个AUG复用进STM-N的过程,SJTU,27,SDH传送网的分层模型,电路层网络 电路层 VC-11 VC-12 VC-2 VC-3 低阶 通道层 VC-3 VC-4 高阶 SDH 传送层 复用段层网络 段层 再生段层网络 传输 媒质层 物理层网络,SJTU,28,SDH的承载业务,WDM,SDH,ATM FR PPP/HDLC LAPS SDL,IP,TCP/UDP,Application,L5
13、7,L4,L3,L2,L1,L0,FR: Frame Relay PPP: Point to Point Protocol LAPS: Link Access Procedure-SDH SDL: Simple Data Link,SJTU,29,SDH的系统组成,SJTU,30,SDH的光缆数字线路系统,同步光缆数字线路系统是指连接两个SDH设备(TM,DXC或ADM)的光缆链路.由线路终端,光缆段和再生器(如果配置的话)组成.分为局间链路和局内链路两类. 局间链路又分为长距离(再生段距离为40km以上)和短距离(再生段距离为15km左右). 局内链路可用光纤(传输距离不超过2km), 也可
14、用同轴电缆(传输距离不超过70m).,SJTU,31,SDH的光接口分类,局内 局间通信 通信 短距离 长距离 光源标称波长(nm) 1310 1310 1550 1310 1550 G.652 G.654 传输距离(km) 2 15 40 80 STM-1 I-1 S-1.1 S-1.2 L-1.1 L-1.2 L-1.3 STM等级 STM-4 I-4 S-4.1 S-4.2 L-4.1 L-4.2 L-4.3 STM-16 I-16 S-16.1 S-16.2 L-16.1 L-16.2 L-16.3,应用,光纤类型 G.652 G.653,G.652:1310nm性能最佳的色散未移位单
15、模光纤 G.653:1550nm性能最佳的色散移位单模光纤 G.654:1550nm损耗最小的单模光纤 G.655:1550nm非零色散光纤,SJTU,32,SDH的光接口位置,发 送,S,R,接 收,Ctx Crx,光缆设施,TX:发送机 Ctx,Crx:活动连接器 S,R:参考点 RX:接收机,SJTU,33,发送机在S点的特性,光源类型：LED、MLM、SLM 光谱特性：最大均方根宽度、最大-20dB宽度、最小边模抑制比 平均发送功率：当发送机发送伪随机序列信号时在S点所测得的平均光功率 消光比：在最坏反射条件时，全调制条件下传号与空号的平均光功率的比值 眼图模板：限制发送光脉冲形状的方
16、法,SJTU,34,S-R点之间光通道的特性,衰减范围 最大色散值：1dB功率代价所对应的光通道色散值 反射：由光通道折射率不连续引起的，包括光纤本身的折射率不均匀所造成的散射和光纤接头产生的反射,SJTU,35,光通道的损耗,允许的光通道损耗Psr为: Psr=Pt-Pr-Pp 实际的S-R点允许损耗为: Psr=(Af+As/Lf+Mc)L+2Ac 实际可达的再生段距离L为: L=(Pt-Pr-2Ac-Pp)/(Af+As/Lf+Mc) Pt:发送光功率 Pr:接收机灵敏度 Pp:光通道功率代价 Af:光纤损耗(dB/km) Lf:单盘光缆的长度(km) As:固定接头损耗(dB) Ac:
17、活动连接器损耗(dB) Mc:光缆富余度(dB/km),SJTU,36,接收机在R点的特性,灵敏度：R点处为达到10-10的BER值所需要的平均接收光功率的最小可接受值 过载功率：R点处达到10-10的BER值所需要的平均接收光功率的最大可接受值 反射系数：R点处的反射光功率与入射光功率之比 光通道功率代价：包括反射和由码间干扰、模分配噪声、激光器声引起的总色散代价,SJTU,37,光纤通信发展方向,1、传输速率达到Tb/s的系统设备 2、掺杂有关化学元素（如铒、镨等）的光纤放大器 3、光交换机 4、密集波分复用（DWDM）设备 5、适用于长距离、高速率、能承受较高光功率密度的新型光纤（如非零色散位移光纤-G.655光纤、无水吸收峰光纤-全波光纤等） 6、集成光学器件及其它光通信元器件 7、能兼容不同速率、协议和制式的全光网络技术等,